專利名稱：內(nèi)生金屬間化合物金屬玻璃復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬基復(fù)合材料技術(shù)，特別是一種內(nèi)生金屬間化合物金屬玻璃復(fù)合材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
塊體金屬玻璃(BMG)材料雖然具有高的斷裂強(qiáng)度和硬度以及高的彈性應(yīng)變極限，但是由于單相金屬玻璃的塑性變形是通過高度局域剪切變形來實(shí)現(xiàn)，斷裂前能夠開動(dòng)的剪切帶數(shù)量十分有限，BMG在室溫下會(huì)發(fā)生無宏觀塑性變形的災(zāi)難性脆性斷裂。因此，室溫脆 性問題已經(jīng)發(fā)展成為BMG材料應(yīng)用的重要瓶頸。為改善BMG材料的室溫脆性，2000年美國(guó)Johnson研究小組首次通過在Zr-Ti-Cu-Ni-Be合金系中添加Nb合金化元素,制備出微米尺寸P-Zr(Ti)固溶體相增塑的BMG復(fù)合材料，其拉伸塑性應(yīng)變達(dá)到3%。隨后，陳光等人通過對(duì)樹枝晶β-ZrCTi)相固溶體進(jìn)行球化處理，將BMG復(fù)合材料的拉伸塑性提高到6%以上(具有拉伸塑性的大尺寸金屬玻璃復(fù)合材料及其制備方法，專利申請(qǐng)?zhí)枮?01110099685. 6)。雖然上述鑄態(tài)內(nèi)生固溶體增塑BMG復(fù)合材料增塑效果顯著,但是由于塑性固溶體相的強(qiáng)度遠(yuǎn)低于金屬玻璃基體，因此造成復(fù)合材料強(qiáng)度大幅度下降。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種新型內(nèi)生金屬間化合物金屬玻璃復(fù)合材料。該復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是以BMG為基體，以鑄態(tài)內(nèi)生金屬間化合物相(IMC)作為第二相。該復(fù)合材料在保證金屬玻璃的高屈服強(qiáng)度的同時(shí)，能夠顯著改善其室溫脆性。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為一種內(nèi)生金屬間化合物金屬玻璃復(fù)合材料，其合金成分原子百分比表達(dá)式為=ZraTibCueNidBee,其中30彡a彡39，10彡b彡12，6彡c彡9，4彡d彡8，32彡e彡50，a+b+c+d+e=100。該成分制備的金屬玻璃復(fù)合材料在其玻璃基體上均勻彌散分布硬質(zhì)脆性第二相ZrBe2。一種制備上述的內(nèi)生金屬間化合物金屬玻璃復(fù)合材料方法，包括以下步驟 第一步選取塊體金屬玻璃合金體系，根據(jù)相選擇原理，調(diào)整合金成分
ZraTibCucNidBee，其中 30 彡 a 彡 39，10 彡 b 彡 12，6 彡 c 彡 9，4 彡 d 彡 8，32 彡 e 彡 50，a+b+c+d+e=100,使其在凝固過程中能夠先析出金屬間化合物相ZrBe2 ；
第二步采用電弧熔煉的方法，把第一步得到的合金成分熔煉成母合金；
第三步母合金重新熔化，銅模吸鑄制成型材；
第四步再將型材放入處理好的坩堝中，采用感應(yīng)熔煉至熔融狀態(tài)，保溫后采用快速順序凝固工藝，從而制備出塊體金屬玻璃基體上均勻分布不同體積分?jǐn)?shù)的鑄態(tài)內(nèi)生金屬間化合物相的復(fù)合材料。第一步中所述的合金組元純度大于99. 5%。第四步中所述的快速順序凝固工藝的抽拉速率為O. 83-5mm/s。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)(I)保持現(xiàn)有BMG高強(qiáng)度。現(xiàn)有技術(shù)大都是以具有一定塑性的內(nèi)生固溶體相(如β-Zr(Ti)相)作為增塑第二相，但是固溶體相的強(qiáng)度(80(T950MPa)與金屬玻璃(1800MPa)相比，其強(qiáng)度低50%以上。這樣所得到的復(fù)合材料強(qiáng)度明顯低于原始金屬玻璃，而且隨著固溶體相的體積分?jǐn)?shù)增加，復(fù)合材料的強(qiáng)度會(huì)進(jìn)一步下降。本發(fā)明采用硬質(zhì)脆性的金屬間化合物相作為第二相，該相具有高的強(qiáng)度(如ZrBe2相的強(qiáng)度>1400MPa)，接近于塊體金屬玻璃。小體積分?jǐn)?shù)的金屬間化合物相不會(huì)對(duì)于最終復(fù)合材料的強(qiáng)度造成明顯影響。對(duì)于一些強(qiáng)度較低的塊體金屬玻璃(Mg-BMG等)，金屬間化合物相甚至可以起到強(qiáng)化玻璃基體的作用。(2)提高材料的塑性。雖然所發(fā)明復(fù)合材料的基體相和第二相單相存在時(shí)，都表現(xiàn)出室溫宏觀脆性，但是由它們構(gòu)成的復(fù)合材料卻具有顯著的壓縮塑性。由于BMG材料的室溫脆性是由于剪切帶的局域化造成，而每個(gè)剪切帶內(nèi)塑性
應(yīng)變是很大的，本申請(qǐng)利用金屬間化合物相(MC)來充分激發(fā)BMG基體相的本身塑性。在施加應(yīng)力載荷時(shí)，硬質(zhì)的金屬間化合物相阻礙了單個(gè)剪切帶的迅速擴(kuò)展，激發(fā)多剪切帶的產(chǎn)生。剪切帶在擴(kuò)展過程中被金屬間化合物相所阻斷，被迫停止或者繞過IMC顆粒。金屬間化合物相的尺寸為微米尺寸量級(jí)大大超過了塊體金屬玻璃基體的剪切帶間距，能夠有效的對(duì)剪切帶擴(kuò)展進(jìn)行阻礙。因此，雖然金屬間化合物相是高強(qiáng)度的硬質(zhì)相，但是我們所獲得的塊體金屬玻璃內(nèi)生復(fù)合材料仍然具有較好的塑性。


圖I是本發(fā)明內(nèi)生金屬間化合物金屬玻璃復(fù)合材料制備流程圖。圖2是實(shí)施例IMC/BMG復(fù)合材料顯微結(jié)構(gòu)圖(a為顯微組織圖，b為XRD圖)。圖3是實(shí)施例UMC/BMG復(fù)合材料的室溫壓縮曲線圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述 (I)合金成分設(shè)計(jì)
選擇具有良好玻璃形成能力(GFA)的Zr-Ti-Cu-Ni-Be合金體系，根據(jù)相選擇原理，結(jié)合金屬間化合物相的形核生長(zhǎng)規(guī)律，進(jìn)行合金成分設(shè)計(jì)。具體而言，選取塊體金屬玻璃Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni1QBe22.5，通過調(diào)整合金元素Zr,Ti,Cu,Ni,Be的相對(duì)比例，使其靠近ZrBe2,得到所需合金成分范圍，ZraTibCucNidBee (原子百分比)，其中30彡a彡39，10彡b彡12，6 彡 c 彡 9，4 彡 d 彡 8，32 彡 e 彡 50，a+b+c+d+e=100。(2)母合金熔煉
根據(jù)(I)成分設(shè)計(jì)所得到的不同合金元素之間的原子百分比換算出質(zhì)量百分比，采用高純金屬組元配置出所需的合金。在高純Ar氣保護(hù)下，利用熔煉Ti或Zr純金屬去除腔內(nèi)殘余氧，采用水冷銅坩堝非自耗電弧熔煉設(shè)備熔制母合金。母合金多次熔煉的同時(shí)進(jìn)行電磁攪拌以得到混合均勻的母合金扣錠。(3)材料成型
將母合金重熔后，通過銅模吸鑄或吹鑄成所需型材，其形狀和尺寸可根據(jù)需要對(duì)銅模的內(nèi)腔進(jìn)行設(shè)計(jì)。(4)快速順序凝固將銅模成形的型材放入與處理好的石墨坩堝中，抽真空后充入高純氬氣，進(jìn)行感應(yīng)加熱使合金熔融，保溫后以不同的抽拉速率浸入冷卻能力極強(qiáng)的Ga-In-Sn液態(tài)合金中。(5)結(jié)構(gòu)表征
利用X射線衍射儀(XRD)、差示掃描量熱儀(DSC)、光學(xué)顯微鏡(OM)和電子掃描顯微鏡(SEM)等對(duì)制備的復(fù)合材料進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)表征，并進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行力學(xué)性能表征，以確定具有最佳綜合力學(xué)性能的復(fù)合材料微觀組織及其相應(yīng)的制備工藝參數(shù)。下面結(jié)合具體實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。實(shí)施例I
(I)原材料的選用
本發(fā)明制備母合金錠選用的各金屬組元的純度如表1，合金成分為Zr39Ti12Cu9Ni8Be32 (原子百分比)。表I制備母合金錠選用金屬組兀的純度(%)
權(quán)利要求
1.一種內(nèi)生金屬間化合物金屬玻璃復(fù)合材料，其特征在于所述的復(fù)合材料合金成分原子百分比表達(dá)式為:ZrJibCucNidBee，其中30彡a彡39，10彡b彡12，6彡c彡9，4彡d彡8，32 ^ e ^ 50, a+b+c+d+e=100。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的內(nèi)生金屬間化合物金屬玻璃復(fù)合材料，其特征在于所述合金成分制備的金屬玻璃復(fù)合材料在其玻璃基體上均勻彌散分布硬質(zhì)脆性第二相ZrBe2。
3.一種制備上述內(nèi)生金屬間化合物金屬玻璃復(fù)合材料的方法，其特征在于所述方法包括以下步驟 第一步選取塊體金屬玻璃合金體系，根據(jù)相選擇原理，調(diào)整合金成分ZraTibCucNidBee,其中 30≤a≤ 39，10≤b≤ 12，6 ≤ c≤9，4≤ d≤8，32≤ 50，a+b+c+d+e=100,使其在凝固過程中能夠先析出金屬間化合物相ZrBe2 ； 第二步采用電弧熔煉的方法，把第一步得到的合金成分熔煉成母合金； 第三步母合金重新熔化，銅模吸鑄制成型材； 第四步再將型材放入處理好的坩堝中，采用感應(yīng)熔煉至熔融狀態(tài)，保溫后采用快速順序凝固工藝，從而制備出塊體金屬玻璃基體上均勻分布不同體積分?jǐn)?shù)的鑄態(tài)內(nèi)生金屬間化合物相的復(fù)合材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備內(nèi)生金屬間化合物金屬玻璃復(fù)合材料的方法，其特征在于第一步中所述的合金組元純度大于99. 5%。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備內(nèi)生金屬間化合物金屬玻璃復(fù)合材料的方法，其特征在于第二步中熔煉時(shí)采用的電流為50(Γ650Α，電磁攪拌采用的電壓為f 3V。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備內(nèi)生金屬間化合物金屬玻璃復(fù)合材料的方法，其特征在于第四步中的快速順序凝固工藝的抽拉速率為O. 83-5mm/s。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種內(nèi)生金屬間化合物金屬玻璃復(fù)合材料及其制備方法。其合金成分原子百分比表達(dá)式為ZraTibCucNidBee，其中30≤a≤39，10≤b≤12，6≤c≤9，4≤d≤8，32≤e≤50，a+b+c+d+e=100。制備上述的內(nèi)生金屬間化合物金屬玻璃復(fù)合材料方法，包括以下步驟選取塊體金屬玻璃合金體系，根據(jù)相選擇原理，調(diào)整合金成分，使其在凝固過程中能夠先析出金屬間化合物相；采用電弧熔煉的方法，把第一步得到的合金成分熔煉成母合金；母合金重新熔化，采用重力鑄造或銅模吸鑄成型材；將型材放入處理好的坩堝中，采用感應(yīng)熔煉至熔融狀態(tài)，保溫后快速順序凝固，獲得金屬間化合物第二相均勻分布于金屬玻璃基體上的鑄態(tài)內(nèi)生復(fù)合材料。本發(fā)明在保持塊體金屬玻璃高強(qiáng)度、高硬度的同時(shí)，可以大幅度提高其室溫塑性。
文檔編號(hào)C22C45/10GK102912260SQ20121040158
公開日2013年2月6日 申請(qǐng)日期2012年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月19日
發(fā)明者陳 光, 成家林 申請(qǐng)人:南京理工大學(xué)